施密特单稳多谐

第 5 章脉冲信号的产生与整形 概 述 555 定 时 器 及 其 应 用 本 章 小 结 主 要 要 求 ： 了 解 脉 冲 信 号 产 生 与 整 形 的 方 法 。 了 解 多 谐 振 荡 器 的 常 用 电 路 及 其 工 作 原 理 。 5.1 概 述了 解 施 密 特 触 发 器 和 单 稳 态 触 发 器 的 逻 辑功 能 、 工 作 特 点 和 典 型 应 用 。 常 用 的 有 施 密 特 触 发 器 和 单 稳 态 触 发 器 。 一 、 脉 冲 信 号 产 生 与 整 形 的 方 法 获 取 脉 冲 信号 的 方 法 脉 冲 信 号 产 生 与整 形 电 路 的 实 现 是 一 种 多 用 途 集 成 电 路 ， 只 要 外 接 少 量 阻 容元 件 就 可 构 成 施 密 特 触 发 器 、 单 稳 态 触 发 器 和 多谐 振 荡 器 等 ， 使 用 方 便 、 灵 活 ， 应 用 广 泛 。 用 多 谐 振 荡 器 直 接 产 生 。 用 整 形 电 路 对 已 有 波 形 进 行 整 形 、 变 换 。 施 密 特 触 发 器 主 要 用 以 将 缓 慢 变 化 或 快 速 变 化 的非 矩 形 脉 冲 变 换 成 陡 峭 的 矩 形 脉 冲 。单 稳 态 触 发 器 主 要 用 以 将 宽 度 不 符 合 要 求 的 脉冲 变 换 成 符 合 要 求 的 矩 形 脉 冲 。用 门 电 路 构 成 。 用 专 用 的 集 成 电 路 。 用 555 定 时 器 构 成 。 UOLUOH二 、 施 密 特 触 发 器 (一 )施 密 特 触 发 器 的 特 性 和 符 号 UT = UT+ - UT-回 差 电 压施 密 特 触 发器 工 作 特 点 (1)允 许 输 入 信 号 为 缓 慢 变 化 的 信 号 。 (2)有 两 个 阈 值 电 压 。 (3)有 两 个 稳 态 。 UT+OuO uIUT- 正 向 阈 值 电 压负 向 阈 值 电 压 当 uI 从 小 增 大 时 ，经 过 UT+ 处 才 能 使 输出 发 生 跃 变 。 当 uI从 大 减 小时 ， 经 过 UT-处 才 能使 输 出 发 生 跃 变 。Schmitt Trigger uOuI 具 有 施 密 特 特性 的 与 非 门 符 号 OuI tuOUT+UT-O t(二 )施 密 特 触 发 器 应 用 举 例 波 形 变 换 将 三 角 波 、 正 弦 波 和 其 它不 规 则 信 号 变 换 成 矩 形 脉 冲 。 UOHUOL uI UT+ 后 ， uO = UOL,只 有 当 uI下 降 到 经 过 UT- 时 ， uO 才 会 发 生 跃 变 。 uI 2/3VCC时电 压 传 输 特 性 为 反 相 输 出 的 滞 回 特 性uI uO当 TH= R=uI1/3VCC时当 1/3VCC H=TR=uI2/3VCC时当 uI1/3VCC时当 uI由 高 电 平 逐 渐 下 降 ，且 1/3VCC uI 1/3 VCC)。 当 uC 2/3 VCC 时 ， 满 足TR = uI 1/3 VCC， TH = uI 2/3 VCC,因此 uO 为 低 电 平 ， V 导 通 ， 电 容 C 经 放电 管 V 迅 速 放 电 完 毕 ， uC 0 V。 这 时 TR = UIH 1/3 VCC，TH = uC 0 2/3 VCC， uO 保 持低 电 平 不 变 。 因 此 ， 稳 态 时 uC 0 V， uO 为 低 电 平 。充 电 工 作 原 理 导 通放 电 V0V UOLUIH 2. 触 发 进 入 暂 稳 态 (二 )工 作 原 理 、 工 作 波 形 与 参 数 估 算 uCO tOu O tUOLUOH tWOCC32VO tUIHCC31VuI tWI VCC 当 输 入 uI 由 高 电 平 跃 变 为 低 电 平(应 1/3 VCC )时 ， 使 TR = UIL1/3 VCC而TH = uC 0 V 2/3 VCC， 因 此 uO 跃 变 为高 电 平 ， 进 入 暂 稳 态 ， 这 时 放 电 管 V截 止 ， VCC 又 经 R 向 C 充 电 ， uC 上 升 。UIL UOH充 电 3. 自 动 返 回 稳 定 状 态 (二 )工 作 原 理 、 工 作 波 形 与 参 数 估 算 uCO tOuO tUOLUOH tWOCC32VO tUIHCC31VuI tWI VCC 2. 触 发 进 入 暂 稳 态 UIH UOL TH2/3 VCC放 电 V 当 输 入 uI 由 高 电 平 跃 变 为 低 电 平(应 1/3 VCC)时 ， 使 TR = UIL1/3 VCC 而TH = uC 0 V 1/3 VCC )， 因 此 uO 重 新 跃 变为 低 电 平 。 同 时 ， 放 电 管 导 通 ， C 经 V 迅 速 放 电 uC 0 V， 放 电 完 毕后 ， 电 路 返 回 稳 态 。 例 用 上 述 单 稳 态 电 路 输 出 定 时时 间 为 1 s 的 正 脉 冲 ， R = 27 k，试 确 定 定 时 元 件 C 的 取 值 。 (二 )工 作 原 理 、 工 作 波 形 与 参 数 估 算 uCO tOuO tUOLUOH tWOCC32VO tUIHCC31VuI tWI VCC 输 出 脉 冲 宽 度 tW 即 为 暂 稳 态 维 持 时间 ， 主 要 取 决 于 充 放 电 元 件 R、 C。 该 单 稳 态 触 发 器 为 不 可 重 复 触 发 器 ，且 要 求 输 入 脉 宽 tWI 小 于 输 出 脉 宽 tWO 。解 ： 因 为 tWO 1.1 RC故可 取 标 称 值 33 F。 F33.7k271.1 S11.1WO RtC估 算 公 式 tWO 1.1 RC GNDVCC RDOUTCO555THTRDISVCC 0.01 FR1 C uOuC-+R2四 、 用 555 定 时 器 组 成 多 谐 振 荡 器 (一 )电 路 结 构 (二 )工 作 原 理 、 工 作 波 形 与 周 期 估 算 uCO t OuO tUOLUOH tWHtWLCC32VCC31V 充 电 UOHTH = TR = uC 很 小 接 通 VCC 后 ， 开 始 时 TH = TR = uC 0， uO 为 高 电 平 ， 放 电 管 截 止 ， VCC 经 R1、 R2 向 C 充 电 ， uC 上 升 ， 这 时 电路 处 于 暂 稳 态 。 工 作 原 理 (二 )工 作 原 理 、 工 作 波 形 与 周 期 估 算 uCO t OuO tUOLUOH tWHtWLCC32VCC31V UOLTH = TR 2/3 VCC 当 uC 上 升 到 TH = TR = uC 2/3 VCC 时 ， uO 跃 变 为 低 电 平 ， 同 时 放 电 管 V 导 通 ， C 经 R2 和 V 放 电 ， uC 下 降 ，电 路 进 入 暂 稳 态 。工 作 原 理 接 通 VCC 后 ， 开 始 时 TH = TR = uC 0， uO 为 高 电 平 ， 放 电 管 截 止 ， VCC经 R1、 R2 向 C 充 电 ， uC 上 升 ， 这 时 电路 处 于 暂 稳 态 。 放 电 当 uC 下 降 到 TH = TR = uC 1/3 VCC 时 ， uO 重 新 跃 变 为 高 电 平 ， 同 时放 电 管 V 截 止 ， C 又 被 充 电 ， uC 上 升 ，电 路 又 返 回 到 暂 稳 态 。(二 )工 作 原 理 、 工 作 波 形 与 周 期 估 算uCO tOuO tUOLUOH tWHtWLCC32VCC31V TH=TR1/3VCC 工 作 原 理 当 uC 上 升 到 TH = TR = uC 2/3 VCC时 ， uO 跃 变 为 低 电 平 ， 同 时 放 电 管 V 导 通 ， C 经 R2 和 V 放 电 ， uC 下 降 ，电 路 进 入 暂 稳 态 。 接 通 VCC 后 ， 开 始 时 TH = TR = uC 0， uO 为 高 电 平 ， 放 电 管 截 止 ， VCC 经 R1、 R2 向 C 充 电 ， uC 上 升 ， 这 时 电路 处 于 暂 稳 态 。 (二 )工 作 原 理 、 工 作 波 形 与 周 期 估 算 电 容 C 如 此 循 环 充 电 和 放 电 ，使 电 路 产 生 振 荡 ， 输 出 矩 形 脉 冲 。uCO t OuO tUOLUOH tWHtWLCC32VCC31V 周 期 与 占 空 比 估 算tWH 0.7 (R1 + R2)C tWL 0.7 R2CT = tWH + tWL 0.7 (R1 + 2R2)C21 21 WH 2RR RRTtq GNDVCC RD OUTCO555THTRDISVCC 0.01 FR1C +R2RP1 RP2 例 指 出 右 图 中控 制 扬 声 器 鸣 响 与 否 和调 节 音 调 高 低 的 分 别 是哪 个 电 位 器 ？ 若 原 来 无声 ， 如 何 调 节 才 能 鸣 响 ？欲 提 高 音 调 ， 又 该 如 何调 节 ？解 ： R1、 R2、 RP1 和 C 共 同 构 成 定 时 元 件 ， 因 此 调 节 RP1 可 调 节 音 调 高 低 。 欲 提 高 音 调 ， 则 应 减 小 RP1 ， 因 此 触 头 应 下 移 。 调 节 RP2 可 控 制 RD 为 0 或 1， 从 而 控 制 振 荡 器 工 作 与否 ， 因 此 能 控 制 扬 声 器 鸣 响 与 否 。 调 节 RP2 使 触 头 左 移 至 适 当 位 置 ， 可 使 RD = 1， 使扬 声 器 鸣 响 。 本 章 小 结施 密 特 触 发 器 和 单 稳 态 触 发 器 是 两 种 常 用 的 整形 电 路 ， 可 将 输 入 的 周 期 信 号 整 形 成 符 合 要 求的 同 周 期 矩 形 脉 冲 。施 密 特 触 发 器 具 有 回 差 特 性 ， 它 有 两 个 稳 态 状 态 ，有 两 个 不 同 的 触 发 电 平 。 施 密 特 触 发 器 可 将 任 意 波 形 变 换 成 矩 形 脉冲 ， 输 出 脉 冲 宽 度 取 决 于 输 入 信 号 的 波 形 和回 差 电 压 的 大 小 。 施 密 特 触 发 器 还 可 用 来 进行 幅 度 鉴 别 、 构 成 单 稳 态 触 发 器 和 多 谐 振 荡器 等 。 实 用 中 ， 常 选 用 集 成 施 密 特 触 发 器或 采 用 555 定 时 器 构 成 施 密 特 触 发 器 。 单 稳 态 触 发 器 有 一 个 稳 定 状 态 和 一 个 暂 稳 态 。其 输 出 脉 冲 的 宽 度 只 取 决 于 电 路 本 身 R、 C 定时 元 件 的 数 值 ， 与 输 入 信 号 没 有 关 系 。 输 入 信号 只 起 到 触 发 电 路 进 入 暂 稳 态 的 作 用 。 改 变 R、C 定 时 元 件 的 数 值 可 调 节 输 出 脉 冲 的 宽 度 。 单 稳 态 触 发 器 可 将 输 入 的 触 发 脉 冲 变 换 为宽 度 和 幅 度 都 符 合 要 求 的 矩 形 脉 冲 ， 因 此 ， 常用 于 脉 冲 的 定 时 、 整 形 和 展 宽 等 。 实 用 中 ， 常 选 用 集 成 单 稳 态 触 发 器或 采 用 555 定 时 器 构 成 单 稳 态 触 发 器 。 在 振 荡 频 率 稳 定 度 要 求 很 高 的 情 况 下 ，可 采 用 石 英 晶 体 振 荡 器 。 多 谐 振 荡 器 没 有 稳 定 状 态 ， 只 有 两 个 暂 稳 态 。暂 稳 态 间 的 相 互 转 换 完 全 靠 电 路 本 身 电 容 的 充电 和 放 电 自 动 完 成 。 因 此 ， 多 谐 振 荡 器 接 通 电源 后 就 能 输 出 周 期 性 的 矩 形 脉 冲 。 改 变 R、 C定 时 元 件 数 值 的 大 小 ， 可 调 节 振 荡 频 率 。 555 定 时 器 是 一 种 多 用 途 的 集 成 电 路 。 只 需 外 接少 量 阻 容 元 件 便 可 构 成 施 密 特 触 发 器 、 单 稳 态触 发 器 和 多 谐 振 荡 器 等 。 此 外 ， 它 还 可 组 成 其它 多 种 实 用 电 路 。 由 于 555 定 时 器 使 用 方 便 、灵 活 ， 有 较 强 的 负 载 能 力 和 较 高 的 触 发 灵 敏 度 ，因 此 ， 在 自 动 控 制 、 仪 器 仪 表 、 家 用 电 器 等 许多 领 域 都 有 着 广 泛 的 应 用 。 除 555 单 定 时 器 外 ， 还 有 双 定 时 器 556、四 定 时 器 558 等 。 单 稳 态 触 发 器 、 施 密 特 触 发 器 和 多 谐 振 荡 器 的电 路 符 号 为 G uO可 重 复 触 发 型 不 可 重 复 触 发 型 uOuI 1 u OuI uOuI单 稳 态 触 发 器 具 有 施 密 特 特 性的 与 非 门 符 号 多 谐 振 荡 器 555 定 时 器 构 成 的 施 密 特 触 发 器 、 单 稳 态 触 发器 和 多 谐 振 荡 器 典 型 电 路 为 555 定 时 器 构 成 的施 密 特 触 发 器 555 定 时 器 构 成 的单 稳 态 触 发 器 555 定 时 器 构 成 的多 谐 振 荡 器